張 誠(chéng) 張啟軍 黃 彬

(1.贛州稀土集團(tuán)有限公司, 江西 贛州 341099；2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

離子型稀土礦是含稀土的花崗巖、火山巖在濕熱氣候和低山、丘陵地貌等條件下，經(jīng)強(qiáng)烈的風(fēng)化淋濾作用而形成的一種特殊而重要的礦床，具有配分全，中、重稀土元素含量高，放射性低，提取工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)珍貴重要且不可再生的戰(zhàn)略資源，尤其因?yàn)橹叵⊥猎睾扛?，離子吸附型稀土礦被全世界所重視[1]。因此，自離子型稀土礦1969年在江西龍南足洞發(fā)現(xiàn)以來(lái)，我國(guó)不斷完善離子型稀土開采工藝體系。近年來(lái)，環(huán)保要求的不斷提高，也對(duì)離子型稀土礦的開采工藝和環(huán)保管理提出了更高的要求。

1 離子型稀土礦開采工藝

1.1 池浸、堆浸工藝

南方離子型稀土早期開采采用池浸工藝，后發(fā)展為堆浸工藝。池浸、堆浸工藝是在劃定的礦段采用人工或機(jī)械的方式進(jìn)行表土剝離和礦石剝離，然后將剝離的品位較高的礦石卸入浸礦池或堆場(chǎng)中，同時(shí)加入浸礦藥劑進(jìn)行浸礦作業(yè)，最后把浸出的稀土母液收集并生產(chǎn)出稀土產(chǎn)品的工藝。

在特定的歷史條件下，池浸、堆浸工藝為國(guó)民經(jīng)濟(jì)作出了巨大的貢獻(xiàn)，但因生產(chǎn)工藝技術(shù)本身存在的缺陷，對(duì)生態(tài)環(huán)境及國(guó)家資源造成了不可估量的損失，包括資源浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境破壞等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用池浸、堆浸工藝，每生產(chǎn)1 t混合稀土氧化物破壞植被160～200 m2，排出尾砂1 500～2 000 t，而且礦產(chǎn)資源利用率較低，部分礦產(chǎn)資源被排出的廢渣所壓覆[2]。1995年，原地浸礦工藝研發(fā)成功并被推廣應(yīng)用；2008年，國(guó)家管理部門全面禁止池浸和堆浸工藝的應(yīng)用。

1.2 原地浸礦機(jī)理

原地浸礦是利用浸礦劑的陽(yáng)離子從非均質(zhì)礦體中把呈吸附態(tài)的稀土離子交換出來(lái)生成稀土母液，并用沉淀等方法回收稀土母液中稀土元素的采礦方法。

根據(jù)離子型稀土礦的成礦理論，在亞熱帶溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下，含稀土礦物的花崗巖和火山巖，經(jīng)風(fēng)化作用形成黏土礦物，如埃洛石、高嶺石、伊利石、蒙脫石等，同時(shí)稀土離子和其他陽(yáng)離子解離出來(lái)，這些離子以水合陽(yáng)離子的形式吸附在黏土礦上。稀土離子的富集成礦是一個(gè)經(jīng)歷遷移- 吸附- 風(fēng)化解離- 遷移- 吸附，如些反復(fù)多次，最終在全風(fēng)化層富集成礦的過(guò)程。具交換狀態(tài)的稀土陽(yáng)離子遇到交換勢(shì)能更大的陽(yáng)離子時(shí)，就被交換下來(lái)，反應(yīng)式如下：

[黏土礦物]m·nRE3++3nA+→[黏土礦物]m·3nA++nRE3+

(1)

浸礦液通過(guò)一定間距的注液井(孔)網(wǎng)格注入礦體內(nèi)。根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)理論，由于注液井(孔)中的注液最終會(huì)形成穩(wěn)定的滲透錐體，其滲浸局限在一個(gè)穩(wěn)定的范圍以內(nèi)，浸礦液陽(yáng)離子與稀土陽(yáng)離子交換形成稀土母液[3]。如果存在隔水層，浸出來(lái)的稀土母液會(huì)沿其層面流出，只要設(shè)置收液巷道或集液溝、導(dǎo)流孔，就可將稀土母液匯集回收，這就是原地浸礦原理。

1.3 原地浸礦工藝流程

離子型稀土礦原地浸礦工藝流程如圖1所示。

圖1 原地浸礦開采工藝流程圖

1)確定待采礦體，進(jìn)行生產(chǎn)勘探，探求121b類資源儲(chǔ)量。

2)對(duì)礦體進(jìn)行塊段劃分，再根據(jù)礦體地質(zhì)特點(diǎn)，確定礦體開采工藝類型。

3)確定工藝類型后，對(duì)擬采礦塊進(jìn)行礦塊設(shè)計(jì)和工程布置。

4)對(duì)設(shè)計(jì)的浸礦工程和收液工程進(jìn)行施工。

5)浸礦液由水冶車間配液池泵送至礦塊高位池，通過(guò)注液系統(tǒng)自流進(jìn)入注液井浸礦。

6)由礦塊收液系統(tǒng)收集到的母液送入水冶車間進(jìn)行處理，經(jīng)處理后的上清液自流進(jìn)入配液池，加入硫酸調(diào)整后泵送進(jìn)入高位池，進(jìn)入下一輪浸礦過(guò)程。

7)母液濃度在達(dá)到工業(yè)指標(biāo)時(shí)，加清水對(duì)礦塊進(jìn)行淋洗。收集的淋洗后液達(dá)標(biāo)后，該礦塊開采完畢。

8)礦段開采完畢后，進(jìn)行注液井回填及植被恢復(fù)工作。

2 離子型稀土礦采場(chǎng)污染防治

目前離子型稀土礦采用原地浸礦的開采工藝，相比以前的池浸、堆浸工藝，原地浸礦具有不破壞地表植物、不產(chǎn)生尾渣等優(yōu)勢(shì)，但開采中也存在表土崩落、地表水和淺層地下水污染等隱患，且污染隱患主要發(fā)生在采礦主體的采場(chǎng)中[4]。為了使礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境擾動(dòng)控制在可控范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)離子型稀土礦綠色礦山建設(shè)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)采場(chǎng)的環(huán)境保護(hù)管理[5]。

2.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)前，除了要詳細(xì)解讀所采礦塊的儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告、水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告、工程地質(zhì)報(bào)告及礦塊物探簡(jiǎn)報(bào)等資料，設(shè)計(jì)人員還要進(jìn)行大量實(shí)地踏勘，盡可能明確所采礦體底板情況，如是否存在斷層、破碎帶等不良水構(gòu)造。設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)掌握的礦塊情況，科學(xué)合理的設(shè)置注液、收液系統(tǒng)和環(huán)保措施，各工程設(shè)計(jì)應(yīng)合理布局，明確浸礦需要的原材料數(shù)量、浸采路線及浸礦各階段濃度。

2.2 施工階段

施工階段應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)方案盡責(zé)施工，特別關(guān)注以下環(huán)保措施的施工：

1)礦體邊緣以上10～20 m范圍內(nèi)不設(shè)置浸采注液工程，而是作為保安礦柱防止山體滑坡，以及作為緩沖帶防止原巖重金屬遷移。

2)防滲措施。收液系統(tǒng)的收液溝及母液收集池必須做好防滲措施，防止稀土母液外滲到自然環(huán)境中。

3)清污分流措施。在所采礦塊收液溝上部一定距離設(shè)置封閉的避水溝，將采場(chǎng)的地表水截流，以防止雨水混入收液溝；采場(chǎng)外側(cè)設(shè)置排水溝，將相鄰山體的地表水進(jìn)行截流，防止其他地表水匯流混入收液溝。

4)監(jiān)測(cè)回收措施。根據(jù)采場(chǎng)的水文地質(zhì)單元在礦塊的下游設(shè)置若干口觀察井，井深以到潛水層或見基巖為準(zhǔn)，生產(chǎn)時(shí)取樣監(jiān)測(cè)；在礦塊下游地下水匯水處設(shè)置環(huán)保回收井，井深以到潛水層或見基巖為準(zhǔn)，接入管線，一旦發(fā)現(xiàn)浸礦劑因子超標(biāo)，即啟動(dòng)回收。

5)應(yīng)急措施。在采場(chǎng)母液收集池設(shè)置一個(gè)同容積的應(yīng)急池，當(dāng)母液中轉(zhuǎn)池出現(xiàn)滲漏等事故時(shí)可啟用應(yīng)急池；浸礦液及母液輸送管線每隔一定距離，設(shè)置止回閥。

2.3 生產(chǎn)階段

正式生產(chǎn)前檢查所有注液、收液及環(huán)保工程，確保每項(xiàng)工程施工能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

驗(yàn)收合格后開始注液，注液生產(chǎn)階段環(huán)保管理主要關(guān)注以下方面：

1)配制浸礦液的原材料總量。應(yīng)以儲(chǔ)量核實(shí)的總量反算的需要量作為浸礦液原料總量控制的依據(jù)，加注的浸礦劑濃度先濃后淡，最后加注頂水，浸礦液各階段濃度選擇以所收母液的稀土濃度判斷。

2)詳細(xì)記錄每天的注液量、注液濃度及收液量、收液中的稀土濃度，并詳細(xì)分析數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性以指導(dǎo)下一步生產(chǎn)，應(yīng)特別關(guān)注在采場(chǎng)注液水路疏通后每天的注液量及收液量是否平衡。

3)生產(chǎn)期間，每天必須到采場(chǎng)實(shí)地巡查，檢查每個(gè)注液井內(nèi)的水量及每個(gè)注液區(qū)域是否出現(xiàn)裂縫，如出現(xiàn)異常則停止該區(qū)域的注液。

4)監(jiān)測(cè)井定期取樣監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)浸礦劑因子超標(biāo)，則立即啟動(dòng)回收井的回收措施，直至監(jiān)測(cè)井水樣達(dá)標(biāo)為止。

5)定期巡查各項(xiàng)環(huán)保措施是否完好，如出現(xiàn)破損處應(yīng)及時(shí)修復(fù)，保障環(huán)保措施運(yùn)行正常。

2.4 生產(chǎn)后期

當(dāng)回收的母液稀土濃度達(dá)到工業(yè)指標(biāo)時(shí)，利用礦塊的注液系統(tǒng)繼續(xù)加清水對(duì)礦塊進(jìn)行淋洗，將礦體中存留的過(guò)量浸礦劑離子等淋洗出來(lái)，淋洗的尾水也通過(guò)收液系統(tǒng)收至水冶車間配液系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)需要添加浸礦藥劑輸送至下一礦塊作為浸礦液。淋洗的終點(diǎn)為淋洗尾水穩(wěn)定達(dá)到《離子型稀土礦山開采水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB36 1016—2018)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)且持續(xù)一周以上時(shí)間。淋洗結(jié)束后，將注液孔周邊的巖土回填，封堵閉孔并進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，保留收液系統(tǒng)和環(huán)保措施，對(duì)自然淋洗的尾水進(jìn)行收集和監(jiān)測(cè)一定時(shí)間，直到尾水中特征因子持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)后，再封堵收液系統(tǒng)，并對(duì)該礦塊的收液和環(huán)保工程進(jìn)行拆除和復(fù)綠。

3 防治措施效果

在贛州市龍南足洞離子型稀土礦山進(jìn)行了上述環(huán)保措施有效性論證，試驗(yàn)自2020年1月20日開始，歷時(shí)7個(gè)月，至8月2日全部結(jié)束。通過(guò)試驗(yàn)積累的工藝參數(shù)和環(huán)保數(shù)據(jù)，可以有效指導(dǎo)礦山實(shí)際生產(chǎn)和環(huán)保管理工作。

3.1 工藝技術(shù)

本試驗(yàn)礦塊的母液回收率為90.06%，稀土采選綜合回收率為89.3%，最大程度將原礦配分中的稀土回收，且高價(jià)值鋱、鏑等元素配分比原礦配分有所增加。

3.2 環(huán)保措施

1)試驗(yàn)工程的主要環(huán)保措施有防滲、雨污分流、清水淋洗、尾水處理、設(shè)置環(huán)?；厥站龋渲蟹罎B措施主要是在池底和池壁鋪設(shè)防滲篷布。經(jīng)檢測(cè)和效果驗(yàn)證，篷布平均厚度為0.47 mm，垂直滲透系數(shù)小于7.47×10-13cm/s。試驗(yàn)過(guò)程中防滲篷布未出現(xiàn)撕裂和滲漏現(xiàn)象，效果良好，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，耐用且實(shí)用，滿足環(huán)保要求。

2)在母液收集結(jié)束后開始清水淋洗，自7月2日開始至8月1日結(jié)束，淋洗周期32 d，淋洗措施將礦體中的大量浸礦劑清洗出來(lái)，大大降低了礦體的污染源強(qiáng)，淋洗措施工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)有效，切實(shí)可行。

3)地表水影響情況：試驗(yàn)礦塊下游地表水中的特征污染因子硫酸根濃度，從開采前的140 mg/L上升到開采后的892 mg/L，隨著礦塊清水淋洗的進(jìn)行，下降到131 mg/L；礦區(qū)外地表水體均滿足《離子型稀土礦山開采水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB36 1016—2018)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，本次試驗(yàn)對(duì)下游地表水的環(huán)境影響是有限的、局部的，僅對(duì)臨近采場(chǎng)的地表水有一定影響，特征污染因子濃度隨著試驗(yàn)進(jìn)程先增加后降低，最終隨著試驗(yàn)結(jié)束恢復(fù)到浸采前的環(huán)境水平，其他地表水?dāng)嗝娴奶卣饕蜃幼兓厔?shì)不顯著。

4)地下水影響情況：試驗(yàn)礦塊下游地下水中特征污染因子硫酸根濃度，在開采準(zhǔn)備期、開采高峰期和清水淋洗期均小于100 mg/L,滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類地下水限值。試驗(yàn)礦塊的開采，對(duì)地下水的影響主要集中在離試驗(yàn)礦塊較近的地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)礦區(qū)上游和礦區(qū)外的地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響均不明顯，且所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著淋洗的開始水質(zhì)逐漸變好?？梢姡囼?yàn)項(xiàng)目對(duì)采區(qū)臨近的地下水影響是短期的，局部的；試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)礦區(qū)外的地下水影響較小且不顯著，不改變礦區(qū)外的地下水環(huán)境質(zhì)量類別，對(duì)地下水的環(huán)境影響在可控范圍內(nèi)。

5)土壤影響情況：試驗(yàn)礦塊開采各階段砷、鎘、六價(jià)鉻、銅、鉛、汞、鎳等重金屬指標(biāo)均可滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)篩選值第二類用地要求。坡腳表層土壤中出現(xiàn)了輕度鹽化，但是影響短暫，隨著后期清水淋洗過(guò)程的進(jìn)行，最終恢復(fù)至原地浸礦之前的未鹽化水平，其余各土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)的表層土壤均未出現(xiàn)鹽化。試驗(yàn)期間礦塊未出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，環(huán)境影響可接受。這說(shuō)明項(xiàng)目試驗(yàn)對(duì)礦塊下游土壤的影響較??；對(duì)山頂、邊坡、坡腳土壤產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，但經(jīng)過(guò)清水淋洗試驗(yàn)后土壤質(zhì)量好轉(zhuǎn)。

5)生態(tài)影響情況：現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，受注液影響的礦山和周邊未受影響的對(duì)照點(diǎn)的植物生長(zhǎng)情況、葉綠素含量基本相同、土壤微生物數(shù)量處于同一數(shù)量級(jí)，這表明開采對(duì)植被、土壤、水生物、微生物的影響可接受。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)離子型稀土礦采場(chǎng)采用合理的污染防治和環(huán)保管理措施，離子型稀土資源開發(fā)過(guò)程對(duì)礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)完全在可控制范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)建設(shè) “綠色離子型稀土礦山”的目標(biāo)。